Пояснення схеми RC диференціатора

Це схема основного диференціатора RC, з формами хвилі введення / виходу напруги.

1. Перш за все, я не розумію, чому спостерігається зниження вихідної напруги (розряджання заряду з конденсатора), поки живлення все ще включене.
2. По-друге, я не розумію, чому напруга на резисторі падає до негативного рівня.

Я знаю, що це просте питання, але будь ласка, допоможіть мені зрозуміти цю основну схему - дякую.

Короткий опис короткого опису: для переходу низького до високого вхідного сигналу ваш конденсатор не розряджається, він заряджається , і він залишається зарядженим до тих пір, поки не відбудеться перехід від високого до низького.

Тим не менш, ось довга історія:

Ми беремо свободу для початку зі змінених позицій R і C; зауважимо, що I _in  = I _C  = I _R , тому нам дійсно дозволено це робити (KCL). Це малюнок, який ви зазвичай бачите, коли конденсатор заряджається через резистор, тому, можливо, варто докласти зусиль:

Ми можемо бачити, як C заряджається відповідно до постійної часу RC і за величиною кроку вхідної напруги від 0 V до V _в . Крім того , ми можемо бачити , як решта через резистор на верхній частині конденсатора напруга стає менше , чим більше ми зарядка конденсатора: V _R  = V _в  - V _C . Це майже відповідає на ваше перше питання про зниження вихідної напруги; нам просто доведеться знову перевернути цю конфігурацію.

Ось ваш початковий контур ще раз, з деякими символами, які нам знадобляться для пояснення, припущення, що у нас немає навантаження, та рівняння, що показують V _з   C на вершині та R внизу.

Ми можемо собі уявити, як верхня пластина С залишається при V _в , нижня пластина стає зарядженою до 0 В, і, нарешті, не залишається напруги через резистор, між нижньою пластиною і 0 В.

Нарешті, це відповідає на першу частину Вашого запитання (Чому С розряджується?) - Він не розряджається, він дійсно стягується; ми просто дивимось не на верхню пластину, а на нижню пластину, підключену до резистора, поступово витягуючи низько через R.

Тепер згадаймо, що вихідна напруга дорівнює напрузі на резисторі. V _з  = V _R  = R × I _R , і знову, припускаючи , що я _з  = 0 (дуже малий навантаження), V _з  = R × I _C . Іншими словами, вихідна напруга пропорційна струму зарядки конденсатора, масштабованому за значенням резистора R.

Таким чином, низький та високий крок вхідного сигналу створить позитивний сплеск через R, як ми вже підрахували. Коли ми перевертаємо все, ми бачимо, як крок від високого до низького створить негативний сплеск, оскільки струм через С тече в протилежному напрямку від стрілки, яку ми використали для I _C - що відповідає другій частині вашого запитання ( "Чому ми отримуємо негативний сплеск на виході?").

Якщо вам подобається (і я думаю, що це весело!), Ви можете намалювати ще кілька фотографій і порахувати подію від високого до низького.

редагувати
Від'ємне напруга трохи несподівано, якщо ви знаєте, що немає негативного джерела живлення. Але це має сенс, коли ми дивимося на напругу в конденсаторі. При першому застосуванні живлення напруга з обох сторін конденсатора дорівнює нулю. Ми запускаємо квадратну хвилю, а вхід йде на 5 В. Конденсатори неохоче мають швидко змінювати напругу через них. Вам доведеться подати багато струму, щоб швидко їх зарядити. Але резистор цього не дозволяє, тому спочатку трапляється те, що права частина конденсатора просто слідує за входом; він також підскакує до +5 В, а потім повільно заряджається через резистор. (Зверніть увагу, що зарядка тут означає зниження напруги, оскільки напруга на вході позитивна.)

Коли вхід переходить до нуля, відбувається щось подібне. Знову вихід буде слідувати входу, оскільки напруга не зміниться так швидко. Але вхід був на 5 В, а на виході - 0 В. Отже, коли вхід зануриться до нуля, а конденсатор підтримуватиме 5 В через нього, вихід повинен перейти до - 5 В.

Я додав третю криву до вашого малюнка. Верхній - вхідний, середній - вихідний, а нижній - різницю між тими, тобто напруга на конденсаторі. Ви можете бачити, що він відповідає звичній схемі заряду-розряду, без швидких змін напруги.
кінець редагування

Понижуюча напруга (*) обумовлена ​​резистором. Він буде експоненціально намалювати вихідну напругу зі швидкістю, визначеною постійною часу RC. Через 1 RC час напруга знизиться до 37% (1 / e), приблизно через 5 RC - до 1% (правило).

Ось ще один спосіб поглянути на це:
негативні краї зумовлені високою частотою ребер. Край має широкий спектр, чим крутіший край, тим ширший спектр. На відміну від нижчих частот, ті високі частоти будуть проходити через конденсатор майже не ослабленим. Отже, якщо на вході показано від'ємне ребро від 5 В до 0 В, на виході у вас буде 5 В негативне ребро. Якщо рівень буде біля нуля, то напруга піде до -5 В. Якщо постійна час RC буде вище, напруга не знизиться стільки, і негативний імпульс може перейти, наприклад, від +2 В до -3 V.

(*) Я неправильно використав слово "розряд", яке, як справедливо зазначав zebonaut , є помилковим. Що ви робите, це зарядити конденсатор. Вхід буде на рівні +5 В, і такий буде вихід на мить, оскільки на конденсаторі немає змін. Із зменшенням вихідної напруги напруга на конденсаторі збільшується , а значить, вона заряджається , а не розряджається.

Першим кроком до розуміння цього є розуміння природи "напруги". Для цього ви повинні зрозуміти («грок») закон Ома.

Закон Ома говорить нам про те, що вихідна напруга, яке з’являється через резистор, визначається струмом через резистор. Коли вхідна напруга вперше піднімається, струм протікає через конденсатор і через резистор.

Потім конденсатор заряджається. Коли вона заряджається, струм перестає протікати через неї. Він також перестає текти через резистор. Тепер напруга на резисторі дорівнює нулю.

Зрозумійте це, і ви, можливо, зможете відпрацювати решту.

Резистор і конденсатор з'єднуються послідовно. Щоб зрозуміти, ви повинні зрозуміти, як протікає через нього струм. Очевидно, що для постійного введення постійного струму струм повинен бути нульовим через деякий час, оскільки конденсатор - це як відкрита схема для збудження постійного струму. Струм найбільший у той момент, коли напруга подається на ланцюг RC, а пізніше вона падає. Оскільки вихід є продуктом постійного опору і струмом, що падає експоненціально, це причина, чому вихідна напруга падає, коли вхідна напруга все ще існує.

По-друге, коли ви робите різкі зміни на вході, ця зміна негайно впливає на іншу пластину конденсатора, оскільки ви не можете раптово змінити напругу на пластинах конденсатора (для цього вам знадобиться нескінченний струм). Менший резистор, схема RC ближче до ідеального диференціатора. Ви можете імітувати це на

http://www.cirvirlab.com/simulation/r-c_circuit_differentiator_online.php

спочатку обидва розміри конденсатора мають однакову напругу (vdiff = 0), не має значення, якщо vin (сторона A цоколя) 0 або 5V або що-небудь, vout (сторона B цоколя) буде однаковою. Отже, коли квадратна хвиля стріляє до 5v, час0 vout також стріляє до 5v. під час заряджання кришки часу проходить так, що сторона b ковпачка (або vout) стає 0v. Тепер vdiff через ковпачок становить 5В. коли квадратна хвиля опускається до 0v, оскільки vdiff через шапку повинен підтримувати 5v, ЦЕ викликає vout (або бічну сторону b cap, щоб читати -5v. Отже, ключ vdiff через шапку, зрозумів? добре